機械臂自由度個數的知識總結

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在力學裡，自由度指的是力學系統的獨立坐標的個數。力學系統由一組坐標來描述。比如一個質點的三維空間中的運動，在笛卡爾坐標系中，由x,y,z三個坐標來描述；或者在球坐標系中，由α，β，γ三個坐標描述。描述系統的坐標可以自由的選取，但獨立坐標的個數總是一定的，即系統的自由度。一般而言，N個質點組成的力學系統由3N個坐標來描述。但力學系統中常常存在著各種約束，使得這3N個坐標並不都是獨立的。對於N個質點組成的力學系統，若存在m個完整約束，則系統的自由度減為 S=3N-m。

機器人設計中的機械臂自由度是比較大的，如果採用多舵機提供動力分別傳動的話就更複雜了。現在用的最多的工業機器人一般都是六軸的，但是最近推出來的一些人機協作機械臂卻是7個自由度。

為什麼呢？

因為7個自由度是對人的手臂的真實還原。

6個自由度的機械臂無法在保持末端機構的三維位置不變的情況下從一個構型變換到另一個構型。

可以考慮一個簡單的情況：

在這張（俯視）圖上，一個機器人的手臂由基座、兩個關節、兩根連接件構成，由圖片可知，我們不能把機器人在保持上部末端機構在平面上位置不變的情況下，從「LEFTY」扭到「RIGHTY」。不管怎麼移動關節，末端機構的位置肯定要變。

同樣地，一個自由度為6的機械臂，即使某兩組構型對應的末端機構的三維位置相同，機械臂在從一個構型移動到另一個構型的時候也無法保持末端機構始終不動。

我們經常會看到工業機器人在同一個位置焊接時，會扭來扭去的，事實上這麼做的原因是雖然焊接時只需要改變末端機構的朝向，而不用改變末端機構的位置，但是它必須要往後退一些，通過扭動調整自己的位置，才能保證在移動末端機構朝向的過程中不會撞到東西，因為移動的時候末端機構的三維位置一定會亂動。

而多了一個自由度以後就不一樣了，可以聯想一下我們通過轉動手腕從而轉動鑰匙開門的動作。

那麼為什麼不再多給一些自由度呢？

因為自由度越多，機械手剛性越差。如果我們的胳膊有8個自由度，那麼受傷的概率會更加很多，機器人的研究是可以證明這個問題的。

三軸機器人也被稱為直角坐標或者笛卡爾機器人，它的三個軸可以允許機器人沿三個軸的方向運動，這種機器人一般用於簡單的搬運工作之中。

四軸機器人，可以沿著x，y，z軸進行轉動，它比三軸機器人多一個獨立運動的第四軸。

五軸機器人可以通過x，y，z三個空間周進行轉動，同時可以依靠基座上的軸實現轉身的動作以及手部的靈活轉動的軸。

六軸機器人可以穿過x，y，z軸，同時每個軸可以獨立轉動，同樣的比五軸機器人多了一個可以自由轉動的軸。六軸機器人的第一個關節能像四軸機器人一樣在水平面自由旋轉，後兩個關節能在垂直平面移動。此外，六軸機器人有一個「手臂」，兩個「腕」關節，這讓它具有人類的手臂和手腕類似的能力。這意味著他們可以拿起水平面上任意朝向的部件，並以特殊的角度放入包裝產品里。

七軸機器人，又稱為冗餘機器人，相比六軸機器人額外的軸允許機器人躲避某些特定的目標，便於末端執行器到達特定的位置，可以更加靈活的適應某些特殊的工作環境。

來源：工業機器人之家整理，轉載請註明出處

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